基于ARM和WINDOWSEMBEDDEDCE6.0的嵌入式车载系统的设计及研究.pdf

沈阳理工大学 硕士学位论文 基于arm和windowsembeddedce6.0的嵌入式车载系统的设计及研 究 姓名：黄福睿 申请学位级别：硕士 专业：计算机系统结构 指导教师：刘勇 2011-03 沈阳理工大学硕士学位论文 摘 要 汽车已经逐渐成为了日常生活的延伸，人们对于驾驶过程中的安全性和娱乐 性要求越来越高，车载信息娱乐系统由最初的收音机、磁带机，发展为现在的集 视音频播放、电视接收、影碟播放、网络浏览等诸多功能于一身的功能强大的多 媒体车载信息系统。 本课题以车载系统为研究目标， 通过对现有嵌入式操作系统、 嵌入式微处理器的分析与比较，结合车载系统应用环境的具体要求，设计了一种 基于 arm 架构和 windows ce 嵌入式操作系统的车载信息系统平台，主要实现 gps 导航、影音播放、蓝牙通信、3g 无线上网、倒车摄像头等功能，并通过模 块化设计方法使系统具有可定制、可扩展的特点。 本课题所设计的嵌入式车载系统采用主、次双系统方案，以满足车载系统对 运算速度、实时性、安全性及可扩展能力的诸多要求。其中主系统采用三星公司 arm11 内核的 s3c6410 芯片，运行 windows ce 6.0 嵌入式操作系统；次系统 采用意法半导体公司 arm cortex-m3 内核的 stm32f103 芯片， 并运行 uc/os-ii 嵌入式实时操作系统。各功能模块根据其特点分别挂接在两个系统上，两个系统 之间采用串行接口进行通信。 本文在内容上首先介绍了课题的背景及发展现状；然后对嵌入式系统进行了 概述，并在此基础上完成处理器和操作系统的选择；之后描述了硬件平台和软件 平台的整体设计和搭建方法，包括各核心硬件模块芯片选择、电路设计，以及 windows ce 6.0 和 uc/os-ii 嵌入式操作系统在硬件平台上的移植；最后，介绍 了几个主要功能模块的硬件设计及软件开发方法。 经测试，系统的主要功能均可以正常运行，达到预期效果。 由于本课题涉及面比较广，加之人员、时间等方面的限制，部分软件和硬件 模块采用对现有模块进行集成的方法，文中会加以注释。 关键词：嵌入式；车载系统；arm；wince；uc/os-ii 沈阳理工大学硕士学位论文 abstract nowadays automobiles have been an extension of our everyday life, the demands for safety and entertainment increase fast, automotive information system has changed from radio and tape drive to a powerful multimedia system which includes video and audio playback, tv reception, dvd player, web browser, and many other functions. the research objective of this paper is automotive system, through the analysis and comparison of the existing embedded operating systems, embedded microprocessor, and combined with the specific applications requirements, the paper designs a automotive information system platform which is based on arm architecture and windows ce embedded operating system to achieve the main functions including gps navigation, audio and video playback, bluetooth communications, 3g wireless internet access, and reversing camera. through the modular design approach, the system is customizable and scalable. to meet speed, real-time, security, scalability and other numerous requirements of the embedded automotive system, this paper adopts a two-system solution (the major part and the minor part). the major system uses an arm11 core s3c6410x mcu which is produced by samsung, running windows ce 6.0 embedded operating system; the minor system uses st microelectronicss stm32 family of chips within arm cortex-m3 core, and running the uc/os-ii rtos system. according to their characteristics, every functional module is mounted in the two systems which using a serial interface for communication. at first, this paper introduced the background and development of the subject; then given an overview of embedded systems, and completed the choice of processors and operating systems; after that, was the description of the overall design and construction methods for hardware platform and software platform, including the core hardware module chip selection, circuit design and system migration; at last, was the introduction of several main moduless hardware and software design. in the test, the system functions can be normal operation, according with the main design desired. as the project involves a relatively wide, in addition to personnel and time constraints, some of the software and hardware modules are integrated with existing modules, at where the paper will be comment. keywords: embedded; vehicle system; arm; wince; uc/os-ii 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者 本人独立完成的。 有关观点、 方法、 数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。 对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者（签字） ： 日 期 ： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、 使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 第 1 章 绪论 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 课题研究背景及意义 1.1.1 课题研究背景 随着汽车制造技术及电子技术的不断发展， 电子装置在汽车中的应用以很快的 速度逐年增加，汽车电子化已经成为汽车技术发展进程中的一次重要革命，汽车 电子化的程度也成为了现代汽车制造水平的重要标志。目前，电子装置在整个汽 车制造成本中所占的比例已经超过了三分之一，微处理器数量在部分车型上已经 超过了 60 个。 汽车电子主要包括车体电子控制装置和车载汽车电子控制系统两大部分。 其中 车体电子控制系统负责控制汽车的发动机，底盘，车身等关键部件，汽车电子的 主要作用是提高汽车的安全性、舒适性、娱乐性。其中车体电子控制系统的研制 需要非常专业的技术及经验，对安全性和稳定性都有极高的要求，只掌握在少数 技术实力强大的公司手中，市场比较封闭。而相对来说车载电子控制系统市场则 比较开放， 灵活， 同时也更加具有潜力。 汽车已经逐渐成为了日常生活的延伸， 人 们对于驾驶过程中的安全性和娱乐性要求越来越高，车载信息娱乐系统由最初的 收音机、磁带机，发展为现在的集视音频播放、电视接收、影碟播放、网络浏览 等诸多功能于一身的功能强大的多媒体车载信息系统。随着燃油价格的不断提高， 人们已经不再一味的追求汽车的动力特性，而是更多的从驾驶的舒适性及安全性、 燃油经济性等方面来考虑，这就给消费类电子进入车载电子市场提供了广阔的空 间1。 车载电子系统按照安装的先后可以分为两种类型： 一种是由汽车制造商在汽车 出厂前安装的车载系统，即前装系统；另一种是由消费者在购买汽车后自行安装 的车载系统，即后装系统。目前，国产汽车由于技术和成本等原因，除了少数高 档汽车外，大部分没有安装前装车载系统，而很多消费者根据各自需求的不同都 沈阳理工大学硕士学位论文 - 2 - 会在购车后安装或多或少的电子系统，其中影音娱乐、gps 导航、主动安全防护 等功能是消费者的主要需求，也是后装车载电子市场的主要增长点。由于安装后 装车载系统需要一定的技术及很强的动手能力，所以大部分消费者需要到专门的 汽车改装厂进行安装，或者选择购买功能有限的便携式 gps 多功能导航系统，前 者提高了安装费用，后者提供的功能又难以满足消费者日益增加的需求。 前装系统在很多方面拥有后装系统无可比拟的优势。首先，在外观样式设计，安 装位置等方面能够结合汽车的内饰进行整体设计，而后装系统则多数需要拆除原 有装置才能合理安装，且风格样式很难做到美观统一；其次，前装系统可以与汽 车总线进行安全的连接，实现对多数车体电子系统的综合控制，如升降车窗，座 椅姿态调整，发动机等汽车数据显示，空调设置等。还有就是在控制系统的设计 上前装系统也具有更大的发挥空间，可以在方向盘等易于在驾驶汽车时进行操作 的地方安装专门设计的触控系统，而后装系统则一般只能通过面板上的少数按键 或触摸屏来进行操作。 1.1.2 课题研究意义 相对来说，目前市场上的前装系统也有很多需要改进的地方，比如成本较高， 定制性差，不利于以后扩展等缺点。本课题的研究目的就是设计一种基于 arm 处 理器及最新的 windows embedded ce 6.0 嵌入式操作系统的可扩展、 模块化的前装 车载系统，在实现标准的车载系统各功能的同时使消费者可以方便的根据自身的 需求选择安装各功能模块，并且在日后可以简单的添加其他的设备或升级固件。 当前国内汽车市场的竞争极其激烈，如果能在控制成本的前提下安装功能强大且 易用的车载系统，可以提高汽车相当大的市场竞争力，得以在残酷的市场竞争中 生存和发展。因此，本课题具有很强的现实意义、及市场价值。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 由于市场潜力巨大，很多国际知名的软硬件公司纷纷进入车载系统研究领域， 极大的促进了发展速度。国外汽车的前装车载系统普及率非常高，特别是日本汽 第 1 章 绪论 - 3 - 车，其 gps 系统的前装普及率高达 95%以上，标志着车载系统成为现代汽车不可 或缺的重要组成部分2。 随着需求的不断提高，简单的控制系统已经难以满足各种复杂的应用要求，选 择和定制合适的嵌入式操作系统成为车载系统设计需要解决的重要问题，目前的 车载操作系统主要有 windowsce，linux，vxworks 等操作系统。windowsce 操 作系统是由微软公司开发的嵌入式实时系统，具有硬实时性、系统高度可定制性、 软件兼容性好、应用开发简单、与桌面系统互动性好等诸多优点。通过和福特的 长期合作微软公司在 windowsce 的基础上，推出了其专门面对车载操作系统的 windows automotive， 更增强了其市场竞争力。 而 linux 操作系统是一种基于 gpl （gnu 公用许可证）的 unix-like 操作系统，其特点是内核源代码公开，价格便 宜，硬件移植性好，系统的开放性要好于 windowsce 系统，厂商可根据自己的需 要及技术实力对内核进行修改和定制，并在此基础上进行二次开发。由于拥有以 上特点， 全球范围内的很多知名公司联合起来组成嵌入式 linux 联盟， 以对抗微软 的 windowsce 系统。相对来说，由风河公司开发的 vxworks 使用比较少，主要 是由于高昂的价格，但是其实时性，稳定性等性能都要好于其他操作系统，nasa 的火星登陆车使用的操作系统就是 vxworks。在第二章中将针对车载系统常用的 嵌入式操作系统进行详细介绍和分析比较3。 各大汽车生产厂商也十分重视车载系统的开发和应用，宝马，奥迪，奔驰等品 牌的汽车都安装有经过精心设计的功能非常强大的车载控制系统，相对于日系品 牌汽车上的车载系统，这些厂商在车载系统的控制方式上下了很大的力气进行研 究，形成了拥有各自特点的操作简单快捷的操作风格。其中安装于宝马中高端车 型的 idrive 系统是其中的佼佼者，其功能和操作等各方面均达到了行业的最高水 平。idrive 系统的操作界面直观简洁，旋钮式操控方式很好的做到了手眼协调，使 用者很快的就可以自由操作；通过增加专门的 3d 处理芯片，提供了更加直观，反 应更加灵敏的 3d 化的 gps 导航系统；通过简单的三级菜单系统仅用非常少的操 控按键就可以操作车中几乎所有的电子系统，使车内装饰布局非常简洁，而拥有 相近功能的日系汽车则使用大量的专属按键进行控制，不但使用复杂且极易产生 误操作；此外，idrive 系统还集成了非常全面的主动安全防护装置，如胎压检测、 前后防撞雷达、倒车辅助、行人警告等。 沈阳理工大学硕士学位论文 - 4 - 1.2.2 国内研究现状 与国外相比，国产汽车的前装车载系统普及率很低，大部分汽车出于成本考虑 只安装了功能简单的音乐播放系统，难以满足消费者的需求，部分车型的前装车 载系统也存在着运行缓慢，功能单一等缺点。正因为这个原因，目前国内的后装 车载市场则非常繁荣， 从简单的便携式 gps 导航仪， 到功能全面的车载综合系统， 都有很大的市场需求。但是繁荣的背后也有很多不利于发展的因素，首先，由于 技术实力等原因，市场上的大部分产品从功能上来说没有特点，不能满足车载系 统的很多需要，更像是一种有大型触摸屏的 pda 类产品；其次，版权问题严重， 很多产品使用的操作系统、应用软件、gps 导航系统等均属于盗版产品，为以后 的发展埋下巨大隐患；再有就是产品的售后服务很成问题，难以做到系统的及时 升级，使用户的 gps 地图数据难以更新。造成这种状况的主要原因是在巨大的经 济利益驱使下，大量的中小厂商涌入车载电子市场，并用功能简单价格低廉的产 品迅速占领市场，导致很多有一定技术实力的大型厂商没有生存空间，只能转向 国外市场出口，而质量低劣的产品也同时使消费者逐渐的对车载电子失去信心。 因此市场急需一种功能强大、价格低廉的车载系统，同时要求其基于模块化、可 扩展设计，以方便以后陆续增多的电子系统的安装与控制，这也正是本课题的研 究目标4。 1.3 本文的内容及结构 本课题的目标是设计一种多功能模块化车载系统，以满足用户的不同需求，在 开发过程中首先设计实现了具有扩展能力的核心软硬件平台，并在此基础上集成 及设计了几个核心功能模块，由于开发周期、人员等方面的限制，部分模块采用 了对现有模块进行集成和二次开发的方法来实现，如 gps 地图及导航软件、3g 模 块等。 本文立足于嵌入式车载系统的实现，仔细研究了 windowsce6.0 嵌入式操作系 统，根据所选硬件平台（三星 s3c6410）的技术参数，以及车载系统应用的具体 需求， 对 windowsce6.0 系统的功能模块进行了合理的裁减和定制， 并通过对官方 提供的 bsp 程序包进行修改，完成了 ce6.0 系统的移植。主要的工作包括三个部 第 1 章 绪论 - 5 - 分：硬件平台的结构设计，操作系统平台的移植，以及主要功能模块的实现5。 本文在结构上分为以下章节： 第 1 章 绪论，介绍了车载系统的概念、发展前景以及国内外现状，并给出了 本文的主要内容和组织结构； 第 2 章 嵌入式系统概述，对嵌入式系统，嵌入式处理器和嵌入式操作系统的 基本概念，特点以及现状进行了详细介绍，通过对现有嵌入式操作系统的比较分 析，给出了选择 ce6.0 系统作为本课题软件平台的理由，并介绍了所选硬件平台 的主要技术特点； 第 3 章 硬件平台总体设计，本章描述了车载系统的硬件结构，以及核心模块 电路的设计，和接口扩展方式； 第 4 章 windows ce6.0 嵌入式操作系统的移植，详细介绍了 ce6.0 系统的特 点，组成结构，集成开发环境及系统功能模块的定制方法，并介绍了 bsp 包的修 改方法，以满足应用环境的需要； 第 5 章 uc/os-ii 嵌入式操作系统的移植，对 uc/os-ii 系统进行了简单介绍， 详细描述了 uc/os-ii 系统在所选硬件平台上的移植方法； 第 6 章 主要功能模块的设计与实现，本章对蓝牙，gps，gsm 远程监控等模 块的硬件及软件设计进行了介绍，以实现系统的主要功能。 沈阳理工大学硕士学位论文 - 6 - 第 2 章 嵌入式系统概述 2.1 嵌入式系统简介 2.1.1 嵌入式系统概念 与我们平时使用的 pc 系统不同，嵌入式系统的定义比较模糊，从字面上来理 解，嵌入式系统指的是嵌入到具体应用对象体系结构中的专用计算机系统。以应 用对象为核心，ieee(国际电气和电子工程师协会)给出的定义为：“控制、监视 或者辅助设备、机器、和车间运行的装置”(devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants)。国内的相关书籍给出的定义 普遍为：以应用为中心，计算机技术为基础，硬件软件可裁减，适应应用系统对 功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。由于嵌入式系 统的应用范围及其广泛，很难给出一个准确的定义，简单来说，也可以认为所有 没有运行通用操作系统的计算机系统为嵌入式系统6。 2.1.2 嵌入式系统特点 与通用计算机系统不同，嵌入式系统不受众多硬件及软件的通用规范限制，而 是在特定的环境下，针对特定的用途，以高性能，高可靠性，低价格为目标而设 计的专用计算机系统。因此，在不同的应用环境下，嵌入式系统无论是在硬件上 还是软件上都有着很大的区别。相对于通用系统来说，嵌入式系统具有以下显著 特点： (1) 应用范围广泛，几乎涵盖现代生活，生产中的所有方面； (2) 可用系统资源较少， 在 cpu 处理能力， 存储器大小等方面与通用系统存在 较大差距； (3) 随着电子技术的发展，嵌入式系统的集成度越来越高，目前的微处理器芯 片几乎集成了所有必须的控制，通信等外设功能，因此具有体积小，低功耗，成 第 2 章 嵌入式系统概述 - 7 - 本低的特点； (4) 具有多种完善的调试，及可靠性评估手段，以满足不同的应用需求； (5) 系统及软件生命周期较长，除非功能不能满足需求，否则会一直使用； (6) 多采用交叉开发环境，即在上位机上完成系统及软件的设计和编译，然后 再下载到应用系统中进行调试和使用； (7) 采用嵌入式操作系统，很多情况下，需采用实时系统。 2.1.3 嵌入式系统分类 根据嵌入式系统的工作模式及硬件构成可分为： (1) 芯片级嵌入：使用嵌入式微处理器进行系统主要程序和算法的运行； (2) 模块级嵌入：将嵌入式微内核集成到功能模块芯片中以控制模块的运行。 根据嵌入式系统对实时性的需求可分为： (1) 非实时系统：如手机，pda 等对实时性没有要求的系统； (2) 软实时系统：对实时性有一定要求的系统； (3) 实时系统：对实时性有极高要求的系统。 2.2 嵌入式处理器简介 与通用处理器生产方式不同，嵌入式微处理器多采用内核使用授权方式，即芯 片厂商从内核设计供应商手中购买特定的微内核使用权，然后在微内核的基础上 根据不同的设计需求加入各自的外设功能模块电路，以制造出满足各种应用环境 的微处理器芯片。本节将对几种常见的处理器架构进行简单介绍。 (1) arm/strongarm arm(advance risc machines)公司是全球领先的 16/32 位 risc 微处理器知识 产权设计供应商。arm 公司通过转让高性能、低成本、低功耗的 risc 微处理器、 外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯 片。arm 已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的 risc 标准。arm 处理器有三大特点：体积小、功耗低、成本低而性能高；16/32 位双 指令集；全球众多的合作伙伴7。 arm 处理器目前有： arm7、 arm9、 arm9e、 arm10 以及 securcore 和 cortex 沈阳理工大学硕士学位论文 - 8 - 等多个系列。 (2) mips mips 是 microprocessor without interlocked pipeline stages 的缩写，是一种处理 器内核标准，它是由 mips 技术公司开发的。mips 技术公司是一家设计制造高性 能、高档次的嵌入式 32 位和 64 位处理器的厂商，在 risc 处理器方面占有重要地 位。mips 公司设计 risc 处理器始于 20 世纪 80 年代初；1986 年推出 r2000 处理 器；1988 年推出 r3000 处理器；1991 年推出第一款 64 位商用微处理器 r4000 之 后，又陆续推出 r8000(于 1994 年)、r10000(于 1996 年)和 r12000（于 1997 年） 等型号。之后，mips 公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。1999 年， mips 公司发布 mips32 和 mips64 构件标准，为未来 mips 处理器的开发奠定了 基础。新的架构集成了原来所有的 mips 指令集，并且增加了许多更强大的功能。 mips 公司陆续开发了高性能、低功耗的 32 位处理器内核(core)mips32 4kc 于高 性能的 64 位处理器内核 mips64 5kc。 2000 年， mips 公司发布了针对 mips32 4kc 的新版本以及未来 64 位 mips64 20kc 处理器内核。为了使用户更加方便地应用 mips 处理器，mips 公司推出了一套集成开发工具，称为 mips idf(integrated development framwork)，特别适用于嵌入式系统的开发8。 (3) powerpc powerpc 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。powerpc 处理器品种很多，既 有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工作 站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面。 目前 powerpc 独立微处理器与嵌入式微处理器的主频从 25mhz700mhz 不等， 它们的能量消耗、 大小、 整合程度、 价格差异悬殊， 主要产品模块有主频 350mhz 700mhz powerpc 750cx 和 750cxe 以及主频 400mhz 的 powerpc 440gp 等。嵌 入式的 powerpc 405 （主频最高为 266mhz） 和 powerpc 440 （主频最高为 550mhz） 处理器内核可以用于各种集成的系统芯片(system-on-chip， soc)设备上， 在电信、 金融和其他许多行业具有广泛的应用9。 (4) x86 x86 系列处理器是应用最广泛的微处理器，它起源于 intel 架构的 8080，再发 展出 286、 386、 486， 直到现在的 pentium4、 athlon 和 amd 的 64 位处理器 hammer。 第 2 章 嵌入式系统概述 - 9 - 从嵌入式市场来看，486dx 是当时和 arm、68k、mips 和 superh 齐名的五大嵌 入式处理器之一，8080 是第一款主流的处理器。今天的 pentium 和当初的 8080 使 用相同的指令集，这有利也有弊，利是可以保持兼容性，至少 10 年前写的程序在 现在的机器上还能运行；弊是限制了 cpu 性能的提高10。 (5) 68k/cold fire motorola 68000(68k)是出现较早的一款嵌入式处理器，68k 采用的是 cisc 结 构与现在的 pc 指令集保持了二进制兼容，cisc 是个人电脑 cpu 常用的，intel、 amd、via 都采用了 cisc 指令集，只有 apple 电脑中的 powerpc 使用了 risc 架构。最初使用 cisc 指令集是有道理的，因为 cisc 指令数量少，执行效率更高， 而且当时的cpu时钟频率不同， 没有涉及到现在的超标量和超流水线的问题。 risc 是精简指令集，每条指令的长度都一样，有利于简化译码结构，减少处理器的晶 体管数量，这对于嵌入式处理器来说是很重要的11。 2.3 arm 架构处理器 arm 在嵌入式应用领域取得了巨大的成功。从 1985 年的第一个 arm1 原型 诞生至今，已经有几十亿个 arm 处理器被销售到了世界各地。arm 成功是建立 在一个简单而又强大的原始设计之上的，随着技术的不断进步，这个设计也在不 断的改进。arm 内核、处理器并不是单一的，而是遵循相同的设计理念、使用相 似的指令集架构的一个内核、处理器系列。 每个 arm 处理器都有一个特定的指令集架构(isa)， 而一个 isa 版本又可以由 多种处理器实现。 isa 随着嵌入式市场的需求而发展， 至今已经有多个版本。 arm 公司规划该发展过程，使得在较早的架构版本上编写的代码也可以在后继版本上 执行（即代码的兼容性）。由于 arm 处理器有很多个版本，下面对起命名规则及 各版本特点进行简单介绍12。 (1) 命名规则 arm 系列处理器采用在“arm”后面追加字母和数字的方式来描述处理器 的功能和特性。随着更多特性的增加，字母和数字的组合可能会改变。需要注意 的是命名规则不包含体系结构的版本信息。具体形式如下： armxyztdmiejf-s 沈阳理工大学硕士学位论文 - 10 - x系列 y存储器管理/保护单元 zcache tthumb 16 位译码器 djtag 调试器 m快速乘法器 i嵌入式跟踪宏单元 e增强指令集（基于 tdmi） jjazelle f向量浮点单元 s可综合版本 关于 arm 命名法则，还有一些附加的要点： 1) arm7tdmi 之后的所有 arm 内核，即使“arm”标志后没有包含那些字 符，也都包括了 tdmi 功能特性。 2) 处理器系列是共享相同硬件特性的一组处理器的具体实现。例如， arm7tdmi、arm740t 和 arm720t 都共享相同的系列特性，都属于 arm7 系 列。 3) jtag 是 ieee1149.1 标准测试访问端口(standard test access port)和边界扫 描结构来描述的。 它是 arm 用来发送和接收处理器内核与测试仪器之间调试信息 的一系列协议。 4) 嵌入式 ice 宏单元(embedded ice macrocell)是建立在处理器内部用来设置 断点和观察点的调试硬件。 5) 可综合的意思是处理器内核是以源代码形式提供的，这种源代码形式又可 以被编译成一种易于 eda 工具使用的形式。 (2) arm 处理器系列 1) arm7 系列 arm7 内核是冯诺依曼体系结构，数据和指令使用同一条总线。内核有一条 3 级流水线，执行 armv4 指令集。 2) arm9 系列 第 2 章 嵌入式系统概述 - 11 - arm9 系列于 1997 年问世。由于采用了 5 级指令流水线，arm9 处理器能够 运行在比 arm7 更高的时钟频率上，提高了处理器的整体性能。存储器系统根据 哈佛体系结构重新设计，区分了数据 d 和指令 i 总线。 3) arm10 系列 arm10 发布于 1999 年，主要是针对高性能的设计。它把 arm9 的流水线扩 展到 6 级，也支持可选的向量浮点单元(vfp)，它对 arm10 的流水线加入了第 7 段。vfp 明显提高了浮点运算的性能，并与 ieee754.1985 浮点标准兼容。 4) arm11 系列 arm1136j-s 发布于 2003 年，是针对高性能和高能效应用而设计的。 arm1136j-s 是第一个执行 armv6 架构指令的处理器。它集成了一条具有独立的 load-store 和算术流水线的 8 级流水线。 armv6 指令包含了针对媒体处理的单指令 流多数据流(simd)扩展，特殊的设计以提高视频处理能力。 arm1136jf-s 就是为了进行快速浮点运算，而在 arm1136j-s 增加了向量浮 点单元。 5) arm cortex 系列 arm cortex 发布于 2005 年， 位各种不同性能需求的应用提供了一整套完善的 优化解决方案， 该系列的技术划分完全针对不同的市场应用和性能需求。 目前arm cortex 定义了以下三个系列。 cortex-a 系列：针对复杂 os 和应用程序（如多媒体）的应用处理器。支持 arm、thumb 和 thumb-2 指令集，强调高性能与合理的功耗，存储器管理支持虚 拟地址。 cortex-r 系列： 针对实时系统的嵌入式处理器。 支持 arm、 thumb 和 thumb-2 指令集，强调实时性，存储器管理只支持物理地址。 cortex-m 系列：针对价格敏感应用领域的嵌入式处理器。只支持 thumb-2 指 令集，强调操作的确定性，以及性能、功耗和价格的平衡。 这些系列曾在 armv7 发展过程中被正式介绍过， a 系列和 r 系列就已经隐式 地出现在早期的版本中了，以及虚拟存储系统架构(vmsa)和保护存储架构 (pmsa)。 到目前为止， cortex系列正式发布的版本为cortex-a8、 cortex-r4和cortex-m3， 沈阳理工大学硕士学位论文 - 12 - 它们全部实现了 thumb-2 指令集（或子集），可满足不同的性能、价格市场需求。 2.4 s3c6410x 和 stm32 系列处理器 综合分析本项目具体应用环境和对性能的需求情况后， 决定采用 s3c6410x 和 stm32 系列处理器作为硬件平台的核心处理器，下面对这两个系列处理器的功能 及特点进行说明。 2.4.1 三星 s3c6410x 系列处理器 s3c6410x 系列处理器是韩国三星公司推出的高性能、低功耗、低价格嵌入式 16/32 位 risc 处理器，主要设计对象为手机、pda 等对性能有较高要求的消费类 电子产品。s3c6410 系列处理器基于 arm1176jzf-s 内核，提供了 16kb 指令数 据 caches 和 16kb 指令数据 tcm，通过 axi,ahb 和 apb 内部 64 位/32 位总线与 外设电路进行通信。芯片架构如图： 第 2 章 嵌入式系统概述 - 13 - system peripheral connectivity multimedia acceleration memory subsystem arm1176jzf-s i/d-cache 16kb i/d-tcm 16kb 533/677mhz power management tft lcd controller arm core rtc pll * 3 timer w/pwm watch-dog timer dma(32ch) keypad(8*8) camera i/f multi format codec (h.264/mpeg4/vc1) ntsc,pal tv out (with image enhancement jpeg 2d graphics 3d graphics i2s/i2s 5-ch i2c * 2 uart * 4 gpio irda v1.1 spi(full duplex) his(modem i/f) usb otg 2.0 usb host 1.1 hs-mmc/sd ac97/pcm audio sram/rom/nor/ onenand mobile sdram mobile ddr sdram nand flash normal,idle, stop,sleep resolution typically 800*480 color-tft lcd x64/32 multi-layer ahb/axi bus 图 2.4.1 s3c6410x 系列处理器架构图 3sc6410x 系列处理器内部集成了大量功能强大的外设电路，提供了全面的存 储器管理，及各常用接口控制，并且支持视频，音频解码和 2d/3d 图像加速。具 体的功能如下： (1) 基于arm1176jzf-s内核， 集成java加速引擎以及16kb/16kb i/d cache 和 16kb/16kb i/d tcm； (2) 核心电压 1.1v 时可稳定工作在 533mhz，1.2v 时可达 667mhz； (3) 8-bit itu 601/656 摄像头接口，最大支持可缩放 4m 像素和不可缩放 16m 像素； (4) 多种格式的硬件视频编解码， 支持格式为 mpeg-4/h.263/h.264,可达 30fps； 沈阳理工大学硕士学位论文 - 14 - 以及 30fps 的 vc1 视频解码； (5) bitblit 和 rotation 2d 图像加速功能； (6) 3d 图像处理加速功能； (7) ac-97 音频编码接口以及 pcm 串口音频接口； (8) 彩色 tft 液晶屏幕控制器； (9) i2s 和 i2c 串行接口； (10) 独立的 irda 红外接口，支持 fir,mir 以及 sir 模式； (11) 可编程 gpio 通用控制接口； (12) 高速 usb 2.0 otg 接口；全速 usb 1.1 host 接口； (13) sd/mmc/sdio/ce-ata host 接口； (14) 实时时钟，pll 内部倍频器，pwm 定时器以及看门狗定时器； (15) 32 通道 dma 控制器。 除了强大的功能外， 选择 s3c6410x 系列芯片的另一个重要原因是三星官方提 供了支持 wince6.0 系统的 bsp 源码包，极大简化了系统移植方面的工作，而 arm9 系列处理器大多没有官方支持，只能从 5.0 系统的 bsp 包进行修改，即加 大了工作量，也对系统稳定性造成影响。 2.4.2 stm32 系列处理器 在本项目的设计中，除了运行 wince 系统的核心模块外，还设计了一个子系 统专门进行功能模块通信与简单功能控制，要求具有一定的运算速度，实时性好 且功耗较低， 对现有芯片进行比较后， 决定采用基于arm cortex m3内核的stm32 系列处理器，此系列处理器相对于常用的 arm7 系列具有性能、功耗、价格等多 方面的优势。下面对其特点进行介绍。 意法半导体(st)公司的 stm32 系列微控制器基于 32 位 cortex-m3 risc cpu， 该系列种类齐全，用户可以根据不同的应用需求选择合适的芯片。根据片内 flash 和 ram 的容量，以及片上外设资源种类和数量的不同，stm32 系列微控制器主 要分为 stm32f101xx 系列和 stm32f103xx 系列。 stm32系列32位闪存微控制器使用来自于arm公司具有突破性的cortex-m3 内核，该内核是专门设计满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于 第 2 章 嵌入式系统概述 - 15 - 一体的嵌入式领域的要求。cortex-m3 在系统结构上的增强，让 stm32 受益无穷； thumb-2 指令集带来了更高的指令效率和更强的性能；通过紧耦合的嵌套矢量中 断控制器，对中断事件的响应比以往更迅速；所有这些又都融入了业界领先的功 耗水准。stm32 系列 mcu 给用户带来了前所未有的自由空间，提供了全新的 32 位产品选项，结合了高性能、实时、低功耗、低电压等特性，同时保持了高集成 度和易于开发的优势。 stm32 微控制器的主要优点如下： (1) 使用 arm 最新的、先进架构的 cortex-m3 内核； (2) 杰出的功耗控制； (3) 出众及创新的外设； (4) 最大程度的集成整合； (5) 提供完善的固件库、usb 工具集以及第三方开发工具支持，可使产品快速 进入市场。 stm32 可以理想地应用于一些需要低功耗而功能强大的微控制器的嵌入式系 统设计中，或者很多通用的可升级系统方案中，常见的有以下应用： (1) 工业领域应用：可编程逻辑控制单元(plc)、变频器、打印机、扫描仪和工 控网络； (2) 建筑和安防应用：警报系统、可视电话和 hvac； (3) 低功耗应用：血糖测量仪、电表和电池供电平台； (4) 家电应用：电机控制和应用控制； (5) 消费类产品：pc 外设、游戏机、数码相机和 gps 平台。 2.5 嵌入式操作系统简介 随着嵌入式技术的不断提高，应用范围的迅速扩大，传统的前后台式单任务软 件结构已经不能满足应用需求，需要嵌入式操作系统来提供多任务的切换，资源 管理，任务间同步等功能，因此嵌入式操作系统逐渐成为嵌入式系统中最重要的 组成部分。通过使用嵌入式操作系统，可以有效的降低硬件驱动程序以及应用软 件的开发难度和周期，提高应用软件的可移植性。与通用操作系统相比，嵌入式 操作系统除了提供基本的功能外，还需要满足实时性的需求，并且具有模块定制， 沈阳理工大学硕士学位论文 - 16 - 功能裁剪，硬件依赖性强、程序固态化、软件专用性强等突出特点。 由于应用环境的千变万化，嵌入式操作系统可以分为很多种类型。从应用角度 出发，可以分为通用型和专用型嵌入式操作系统，其中通用型面向广泛的应用要 求，经过重新定制后可以适应多种具体环境的要求，而专用型则致力于专门的应 用环境，因此具有更加出色的功能支持。从实时性出发可以分成嵌入式实时操作 系统和非实时操作系统，一般来说，实时系统为了满足系统对事件的相应能力必 须采用优先级抢占式的任务调度方法，即高优先级任务获得 cpu 使用权；而非实 时系统往往采用时间片轮转式的任务调度方法，这样可以简化程序设计难度，同 时提升用户体验；大部分比较高级的操作系统还支持优先级抢占和时间片轮转相 结合的调度方法，使嵌入式操作系统更见灵活高效。 2.6 现有主要嵌入式操作系统介绍及比较 通过前面的分析可知， 嵌入式操作系统的选择对于嵌入式产品的成功与否起着 至关重要的作用，目前可以应用于车载系统的主要的嵌入式操作系统有 linux， windowsce，以及推出时间不是特别长的 android 系统。下面分别分析这三种操 作系统的特点，然后根据嵌入式车载系统的应用环境特点选择适合的操作系统。 (1) 嵌入式 linux 操作系统 linux 系统是一种免费的，源代码公开的 unix-like 操作系统，其内核基于 gnu 公用许可证即 gpl(gnu general public license)， 可以运行 gnu 组件。 linux 最早是由一位名叫 linus benedict torvalds 的芬兰大学生发起倡议并编写出了最早 的核心代码，并宣布这是一个免费的，开放源代码的系统，同时希望大家一起来 将它完善。 linux 以它的高效性和灵活性著称， 可以在 pc 计算机上实现全部的 unix 特性，具有多任务，多用户的能力，并且符合 posix 标准。 linux 的最大特点是其低廉的价格以及开放的源代码， 再加上广泛的硬件支持， 使它十分适合应用在移动终端等嵌入式设备中，由于其开源的特性厂商可以根据 自己的需要定制和修改 linux 内核， 还可以自行编写驱动程序来适应所选择的特定 硬件，再加上嵌入式产品对成本的高度敏感性，linux 进入到移动终端系统一年多 的时间就吸引了越来越多的终端厂商和运营商对它的关注，包括摩托罗拉，三星， nec 等知名厂商。我国的大唐电信也宣布其 td-scdma 3g 手机将采用 linux 操 第 2 章 嵌入式系统概述 - 17 - 作系统，同时也吸引了众多软件开发商对应用软件的开发，丰富了第三方应用。 linux 系统也有其先天的不足，如入门难度高，集成开发环境较差，系统开发 公司整体实力一般，还有一个最大的不足就是软件兼容性的问题，为不同的嵌入 式 linux 系统开发的应用软件并不一定能够互相通用， 后期需要自行开发大量的应 用软件，并不在小规模厂商的能力范围之内，而且与 pc 中广泛使用的 windows 操作系统的连接性很差，很难实现 pc-移动终端-pc 的移动办公模式。因此，我 认为 linux 并不是完全适合于本项目所要设计